Efficient recovery of variational quantum algorithms landscapes using classical signal processing
我们采用频谱分析和压缩感知来识别变分算法的成本函数可以纯经典地或以最小的量子计算机访问来恢复的设置。我们提出的理论和数值证据支持稀疏恢复技术的可行性。为了证明这种方法,我们使用基追踪去噪,有效地恢复模拟量子近似优化算法(QAOA)的大系统规模的实例,从很少的样本。我们的研究结果表明,稀疏恢复可以更有效地利用和分配量子资源的变分算法的优化。
2022-08-11 quant-ph
Systematic improvement of the quantum approximate optimisation ansatz for combinatorial optimisation using quantum subspace expansion
本研究将生成坐标法与量子近似优化拟设结合,在Erdös-Rényi图的最大独立集问题上系统提升了近似比和保真度,并估计图规模大于75时以八个试探态即可超越QAOA。
2025-06-23 nucl-th quant-ph
Quantum walk-based portfolio optimisation
本文提出了一种高效的量子算法的投资组合优化针对近期噪声的中间规模的量子计算机。Hodson等人(2019)的最新研究探索了混合量子经典算法在金融投资组合再平衡问题中的潜在应用。特别是,他们处理的投资组合优化问题,使用量子近似优化算法和量子交替算子Answer。在本文中,我们展示了更好的性能,使用新开发的量子行走优化算法在寻找高质量的解决方案的投资组合优化问题。
2021-07-26 quant-ph
Pulse Quality Optimisation in Quantum Optimal Control
Imperial College London(帝国理工学院);Flatiron Institute(平顿研究所)
本文提出GECKO方法,通过利用李代数几何优化脉冲质量,提升控制脉冲的保真度和实验可行性。
2026-04-28 quant-ph
Quantum Approximate Optimisation Algorithm for Protein Sidechain Packing
Quantum Group, School of Computing, Newcastle University(纽卡斯尔大学计算学院量子小组)
针对蛋白质侧链包装的 NP 难问题,提出一种混合量子-经典流水线,利用 QAOA 和约束保持拟设,在 AlphaFold 主链上降低构象能量,并在 5PTI 上验证有效性。
2026-09-28 quant-ph
Quantum Annealing: Optimisation, Sampling, and Many-Body Dynamics
IPPP and Department of Mathematical Sciences, Durham University(达勒姆大学数学科学系及IPPP);University of Birmingham(伯明翰大学);University of Oxford(牛津大学)
本文综述了量子退火的基本原理、硬件平台和算法技术,分析了量子隧穿、能隙和开放系统效应对计算性能的影响,并探讨了其在优化、机器学习、量子模拟和多体物理中的应用及挑战。
2026-05-07 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech cs.ET
Progress towards analytically optimal angles in quantum approximate optimisation
量子近似优化算法是在量子处理器上执行的$p$层、时变分裂算子方法,并通过经典外循环优化驱动收敛。经典的协处理器不同的问题/驱动程序的传播序列的个人应用时间,准备一个状态,近似最小化的问题的发生器。选择最佳应用时间(称为角度)的分析解决方案已被证明很难找到,而外环优化是资源密集型的。在这里,我们证明了最佳的量子近似优化算法参数$p=1$层减少到一个自由变量,并在热力学极限,我们恢复最佳角度。此外,我们证明了重叠函数的梯度消失的条件共享一个类似的形式,导致电路参数之间的线性关系,独立于量子位的数量。最后,我们提出了一个列表的数值效果,观察到特定的系统尺寸和电路深度,这是尚未被解析解释。
2021-09-23 math-ph math.MP quant-ph
Approximating the quantum approximate optimization algorithm with digital-analog interactions
量子近似优化算法是作为一种启发式方法提出的,用于解决近期量子计算机上的组合优化问题,并且可能是在量子计算的后霸权、嘈杂、中等规模时代执行有用计算的首批算法之一。在这项工作中,我们利用最近提出的数字模拟量子计算范式,其中可编程通用量子计算机的多功能性和量子模拟器的容错性相结合,以改善量子计算平台。我们表明,数字模拟范例是适合变分量子近似优化算法,由于其固有的弹性对相干误差,通过进行大规模模拟,并提供其性能的分析界限设备有限的单量子位操作时间。我们观察制度的单量子比特的操作速度,其中所考虑的变分算法提供了显着的改善非变分的同行。
2022-11-09 quant-ph
Graph neural network initialisation of quantum approximate optimisation
Indian Institute of Technology(印度理工学院);University of Edinburgh(爱丁堡大学);Sorbonne Université(索邦大学)
近似组合优化已经成为量子计算机最有前途的应用领域之一,特别是在短期内。在这项工作中,我们专注于量子近似优化算法(QAOA)解决最大切割问题。具体来说,我们解决两个问题的QAOA,如何初始化的算法,以及如何随后训练的参数,以找到一个最佳的解决方案。对于前者,我们提出图神经网络(GNNs)作为QAOA的热启动技术。我们证明了将GNN与QAOA合并可以单独优于这两种方法。此外,我们还演示了图神经网络如何不仅在图实例中实现热启动泛化,而且还增加了图的大小,这是其他热启动方法无法直接使用的功能。为了训练QAOA,我们测试了MaxCut问题的几个优化器,最多16个量子位,并对香草梯度下降进行了基准测试。这些包括量子感知/不可知论和基于机器学习/神经优化器。后者的例子包括强化和元学习。这些初始化和优化工具包的结合,我们演示了如何使用QAOA在端到端的微分管道的优化问题可以解决。
2022-11-15 cs.LG quant-ph
An Expressive Ansatz for Low-Depth Quantum Approximate Optimisation
本文提出QAOA的过参数化变体XQAOA,通过增加经典参数并在混合哈密顿量中引入Pauli-Y分量实现任意酉变换,在低深度下显著提升了NISQ设备上的组合优化性能。
2024-02-15 quant-ph
Combinatorial optimisation via highly efficient quantum walks
我们提出了一个高效的量子线路,用于执行连续时间量子行走(CTQWs)的指数大的组合对象的集合,只要对象可以被有效地索引。CTQW形成量子近似优化算法的广义版本的核心混合操作,其通过将量子振幅“转向”成高质量的解决方案来工作。高效的量子线路有望为某些类别的NP难组合问题找到高质量的解决方案,例如旅行推销员问题,最大集分裂,图分割和格路径优化。
2020-04-23 quant-ph
On the Instance Dependence of Optimal Parameters for the Quantum Approximate Optimisation Algorithm: Insights via Instance Space Analysis
本文利用实例空间分析研究QAOA最优参数的实例依赖性,针对MaxCut问题提出基于实例特征的初始化方法QIBPI,提升了算法性能并验证了参数跨规模迁移的可行性。
2024-02-13 quant-ph
Training Saturation in Layerwise Quantum Approximate Optimisation
Skolkovo Institute of Science and Technology(斯科尔科沃科学技术研究院)
量子近似优化(QAOA)是目前研究最多的基于门的变分量子算法。我们每次训练一层QAOA,以最大化与$n$量子位目标状态的重叠。这样做,我们发现这种训练总是饱和-称为\textit{training saturation} -在某个深度$p^*$,这意味着超过一定的深度,重叠不能通过添加后续层来改善。我们提出了饱和的必要条件。数值上,我们发现分层QAOA在深度$p^*=n$达到其最大重叠。向训练中添加相干失相误差消除了饱和,恢复了分层训练的鲁棒性。这项研究揭示了QAOA的性能限制和前景。
2021-06-25 cond-mat.dis-nn cs.LG quant-ph
Analog QAOA with Bayesian Optimisation on a neutral atom QPU
本研究提出利用中性原子量子处理器和贝叶斯优化实现类比QAOA,以高效解决最大独立集问题,并展示噪声缓解策略的有效性。
2025-11-25 quant-ph
Quantum Algorithm for Protein Side-Chain Optimisation: Comparing Quantum to Classical Methods
本文将蛋白质侧链旋转异构体优化建模为 QUBO/Ising 问题,并提出基于 QAOA 的量子算法,实验显示其相较经典模拟退火可降低计算成本。
2025-07-25 quant-ph
Quantum Approximate Optimisation Applied to Graph Similarity
本文提出一种新颖的量子优化仿真包,以图相似性为例研究QAOA的组件,通过边重叠编码节省量子内存,并展示了性能分析,为验证QAOA解决其他困难问题开创先例。
2024-12-23 cs.DC quant-ph
There, and Back Again: Quantum Theory and Global Optimisation
我们认为在量子理论中的一个问题,可以制定为一个优化问题,并提出了一个全球性的优化算法来解决它,其基础反过来依赖于一个定理从量子理论。也就是说,我们考虑量子信道的最大输出纯度$ν_q$,如通过Schatten $q$ -范数测量的,对于整数$q$。这个量在量子信息理论中量子信道容量的研究中具有根本的重要性。为了计算$ν_q$,必须解决通常表现出局部最优的非凸优化问题。我们表明,这个特殊的问题可以近似到任意精度的特征值问题在一个更大的矩阵空间,从而规避局部最优的问题。该算法背后的数学证明依赖于量子德菲内蒂定理,这是一个用于研究量子理论基础的定理。我们希望这里提出的方法可以推广,并将被证明是适用于更大的一类全球优化问题。我们还提出了一些初步的数值结果,表明,至少对于小的问题大小,目前的方法是实际可行的。
2004-02-16 quant-ph
A Practitioner's Guide to Quantum Algorithms for Optimisation Problems
本文为量子优化算法提供实践指南,涵盖量子退火与门控量子计算,详述QAO和QAOA技术,并指出近期硬件限制及实现量子优势需进一步研究。
2023-05-12 quant-ph
Expectation Values from the Single-Layer Quantum Approximate Optimization Algorithm on Ising Problems
我们报告的能量期望值景观所产生的单层($p=1$)量子近似优化算法(QAOA)时,被用来解决伊辛问题。的景观得到使用的分析公式,我们推导。该公式允许我们预测任何给定伊辛问题实例的景观,从而预测最佳QAOA参数,以使用单层QAOA来并行地解决该实例。我们已经验证了我们的分析公式,表明它准确地再现了最近的实验报告中公布的景观。然后,我们应用我们的方法来解决这个问题:如何以及单层QAOA能够解决大型基准问题的实例?我们使用我们的分析公式来计算最佳的能量期望值的基准MAX-CUT问题包含$7\,000$顶点和$41\,459$边缘。我们还计算了一般伊辛问题的最优能量期望值高达$100\,000$顶点和$150\,000$边。我们的研究结果提供了一个估计如何以及单层QAOA可以在量子计算机上运行数千量子比特的工作。除了提供性能估计时,使用最佳角度,我们能够使用我们的分析结果,调查在实践中运行QAOA时可能遇到的困难,为不同类别的伊辛实例。我们发现,根据伊辛哈密顿量的参数,期望值景观可能相当复杂,具有尖锐的特征,需要高度精确的旋转门,以便QAOA在量子硬件上以最佳方式运行。我们还提出了分析结果,解释了一些定性的景观特征,观察数值。
2022-09-23 quant-ph
Optimisation-Free Recursive QAOA for the Binary Paint Shop Problem
University of Melbourne(墨尔本大学);Ford Motor Company(福特汽车公司)
本文提出无优化递归QAOA算法,用于解决二进制喷漆车间问题,通过参数转移技术提升性能,减少量子资源需求,展示出可扩展的量子优化路径。
2026-04-09 quant-ph
Quantum Optimization for Training Quantum Neural Networks
University of Technology Sydney(悉尼科技大学);Sydney Quantum Academy(悉尼量子学院);Hon Hai Quantum Computing Research Center(鸿海量子计算研究中心)
针对量子神经网络训练中的贫瘠高原问题,提出一种利用量子优化算法寻找最优参数的框架,通过相干编码代价函数至叠加态相对相位并采用自适应Hamiltonians迭代调参,实现超越Grover的加速。
2021-03-31 cs.AI cs.LG quant-ph
An evolving objective function for improved variational quantum optimisation
变分量子算法是一种利用计算量子优势的有效方法。这些算法的性能至关重要的是,以确保该算法收敛到一个接近最优的解决方案,在很短的时间内以很高的概率。在Barkoutsos等人(Quantum 2020)中,引入了另一类目标函数,称为条件风险价值(CVaR),并表明它们比标准目标函数表现得更好。在这里,我们通过引入一个不断发展的目标函数来扩展这项工作,我们称之为Ascending-CVaR,它可以用于任何优化问题。我们测试我们提出的目标函数,在仿真环境中,作为案例研究使用三种不同的优化问题:最大切割,号码分割和投资组合优化。我们研究了不同大小的多个实例,并使用具有硬件高效的分析器和量子近似优化算法(QAOA)的变分量子本征求解器(VQE)分析性能。我们表明,在所有情况下,上升CVaR表现优于标准目标函数或Barkoutsos等人(Quantum 2020)的“常数”CVaR,它可以用作避免次优最小值的启发式方法。我们的建议在所有问题中实现了与理想状态的更高重叠,无论我们考虑简单还是困难的实例-平均而言,它在投资组合优化和数字分区中给出了高达10倍的重叠,而在最大切割中给出了80%的改进。在困难的情况下,我们认为,对于数字划分问题,标准的目标函数未能找到正确的解决方案,在几乎所有的情况下,CVaR发现正确的解决方案在60%的情况下,而上升CVaR发现正确的解决方案在95%的情况下。
2022-06-24 quant-ph
Quantum speedups of some general-purpose numerical optimisation algorithms
我们给出了几个通用的数值优化方法,最小化一个功能$f:\mathbb{R}^n \to \mathbb{R}$的量子加速。首先,我们表明,许多技术的全局优化Lipschitz约束下,可以加速近二次。其次,我们表明,回溯线搜索,在拟牛顿优化算法的成分,可以加速到二次。第三,我们表明,Nelder-Mead算法的一个组成部分可以加速到一个乘法因子的$O(\sqrt{n})$。第四,我们证明了Gilyén等人的量子梯度计算算法可以在随机梯度下降的框架中近似计算梯度。在每种情况下,我们的结果都是基于应用现有的量子算法来加速经典算法的特定组件,而不是开发新的量子技术。
2020-04-14 cs.DS quant-ph
Knapsack Problem variants of QAOA for battery revenue optimisation
我们实现了两个量子近似优化算法(QAOA)的变种的电池收入优化问题,相当于弱NP-硬背包问题。这两种方法都研究了如何使用QAOA处理约束问题。第一个“约束”的方法引入了二次惩罚,以执行严格遵守的约束,并重新制定的问题成一个伊辛问题。然而,在IBM的模拟器上进行的模拟突出了中间深度($ p\leq 50$)的非收敛结果。第二种“宽松”方法应用具有非伊辛目标函数的QAOA来计算线性惩罚,在时间上运行$O(p(\log_2 n)^3)$并且需要$O(n \log n)$量子位。模拟结果表明,指数级的深度水平的数量的改善,并获得近似$0.95$的最佳浅深度($p \leq 10$)。
2019-08-15 cs.ET quant-ph
Quantum-Assisted Graph Clustering and Quadratic Unconstrained D-ary Optimisation
最近,我们目睹了量子信息处理的壮观发展,不同架构的噪声中等规模量子设备和各种软件开发工具包的可用性,以研究量子算法。不同的问题,这是很难解决的经典计算,但可以加快(在某些情况下显着)也被填充。利用这些方面,本文研究了量子算法或更准确地说,量子辅助算法的无监督图聚类。在量子伊辛模型的框架下,通过对两集团最大割问题的研究,得到了最大3割问题的一个推广,并确定了一个合适的哈密顿量.代表性的结果,进行了广泛的数值评估后,已被提供,包括可能的未来实施与quutrit设备的建议。此外,外推到3个以上的类,这可以处理的qudits,退火器和门电路品种,也已经触及一些初步的观察;量子辅助解决二次无约束D元优化到达在这种情况下。作为一个额外的新颖性,量子近似优化算法求解max-d切割的量子电路系统的构建。
2021-02-22 quant-ph
Quadratic Unconstrained Binary Optimisation via Quantum-Inspired Annealing
我们提出了一个经典的算法来找到近似解的情况下,二次无约束二进制优化。该算法可以被看作是一个模拟的量子退火下的限制的产品状态空间,其中量子退火的动力学演化被取代的梯度下降为基础的方法。这种公式能够快速找到大规模问题实例的高质量解决方案,并且可以通过图形处理单元等专用硬件自然加速。我们基准我们的方法与可调硬度和种植解决方案的大规模问题的实例。我们发现,我们的算法提供了一个类似的性能,目前的最先进的方法在一个非常简单的基于梯度和非随机设置。
2021-10-25 math.OC quant-ph
A quantum unstructured search algorithm for discrete optimisation: the use case of portfolio optimisation
S&P Global(标普全球)
本文提出了一种量子无结构搜索算法,用于解决投资组合优化中的离散优化问题,通过量子算法实现更快的极值搜索。
2025-05-20 q-fin.PM quant-ph
Quantum optimisation via maximally amplified states
本文提出了最大放大优化算法(MAOA),一种新的量子算法设计的组合优化在短期量子计算的限制电路深度的上下文中。MAOA首先产生一个量子态,在这个量子态中,问题的最优解被放大到受给定的受限电路深度限制的最大可能范围。随后重复制备和测量这种最大放大状态,尽可能有效地产生最高质量的解决方案。MAOA比其他近期量子算法(如量子近似优化算法(QAOA))表现得好得多,因为它大大放大了最优解,并且无需这些其他算法所需的计算要求变分过程。此外,限制电路深度修改现有的Grover自适应搜索。这种改进的算法被称为限制Grover自适应搜索(RGAS),并提供了一个有用的比较MAOA。MAOA和RGAS模拟一个实际的车辆路径问题,计算要求投资组合优化问题,和一个任意大的问题,正态分布的解决方案的质量。在所有情况下,MAOA和RGAS提供了大量的加速比经典的随机抽样在寻找最佳解决方案,而MAOA始终优于RGAS。通过证明数值收敛到理论推导的上界来量化由MAOA提供的加速。
2022-06-01 physics.comp-ph quant-ph
Scalable Quantum Optimisation using HADOF: Hamiltonian Auto-Decomposition Optimisation Framework
School of Computer Science Centre for Quantum Engineering, Science, and Technology University College Dublin(计算机科学学院量子工程、科学和技术中心都柏林大学学院);Antimicrobial Resistance and Microbial Ecology Group, School of Medicine, University of Galway(抗菌耐药性与微生物生态组,医学院,Galway大学)
提出 HADOF 框架,通过迭代自动分解 QUBO Hamiltonian 并聚合子问题解,使 QAOA、QA 或 SA 可解决远超 NISQ 量子比特规模的优化问题。
2025-10-03 cs.LG quant-ph
An investigation of IBM Quantum Computing device performance on Combinatorial Optimisation Problems
在求解$\mathcal{NP}$ -硬组合优化问题(COP)时,确定性解的难解性在文献中已有很好的报道.克服这一困难的一种机制是使用有效的COP非确定性方法。然而,随着量子技术的出现,这些现代设备克服这种易处理性限制的潜力需要探索。本文比较了经典优化算法和量子优化算法在求解旅行商问题(TSP)和二次分配问题(QAP)这两个常见COP问题上的性能。比较了经典的分支定界法(BNB)和模拟退火法(SA)与量子优化方法(变分量子本征求解器(VQE)和量子近似优化算法(QAOA))。这些算法分别在经典设备和IBM的一套噪声中间尺度量子(NISQ)设备上执行。我们已经编码的COP问题,为各自的技术和算法,并提供了NISQ设备的计算编码。我们的实验结果表明,目前的经典设备显着优于目前可用的NISQ设备,这与文献中的研究结果一致并扩展。此外,我们引入额外的性能指标,以更好地比较两种方法的计算时间,可行性和解决方案的质量。我们的研究结果表明,VQE比QAOA更好地执行这些指标,我们推断,这是由于所需的操作数量增加。此外,我们研究了一组新的基门对量子优化技术的影响,并表明它们不会对结果产生显着的改善。最后,我们提出了最先进的NISQ IBM量子器件的缺点,并为未来的工作和研究提出了建议。
2022-04-22 cs.ET quant-ph
From Hope to Heuristic: Realistic Runtime Estimates for Quantum Optimisation in NHEP
本研究通过量子退火和QAOA算法,评估了NISQ计算机在核高能物理中粒子轨迹重建任务的运行时间与可扩展性,探讨了启发式方法提升量子优化效率的潜力。
2025-05-08 hep-ex quant-ph
Qubit-efficient encoding schemes for binary optimisation problems
我们提出并分析了一组变分量子算法来解决二次无约束二元优化问题,其中一个问题由$n_c$经典变量组成,可以在$\mathcal O(\log n_c)$数量的量子比特上实现。潜在的编码方案允许通过逐渐增加所涉及的量子比特的数量来系统地增加由变化的量子态捕获的经典变量之间的相关性。我们首先研究忽略所有相关性的最简单的极限,即当量子态只能描述统计独立的经典变量时。我们应用这种最小编码来找到一个一般问题实例的近似解,该问题实例由64个经典变量组成,使用7个量子比特。接下来,我们展示了如何将经典变量之间的两体关联纳入变分量子态,以及它如何提高近似解的质量。我们给出了一个例子,通过解决一个42变量的最大切割问题,只使用8个量子位,我们利用特定的拓扑结构的问题。我们分析这些情况是否可以有效地优化,因为在最先进的量子平台中可用的资源有限。最后,我们提出的一般框架扩展的概率分布的表达任何多体相关性。
2021-04-21 cond-mat.dis-nn quant-ph
Optimisation of Scalable Ion-Cavity Interfaces for Quantum Photonic Networks
在量子网络应用的离子腔接口的设计优化中,由于许多相互竞争的品质因数和高度相互依赖的设计约束而出现困难,其中许多存在“软限制”,可以以工程时间为代价进行改进。在这项工作中,我们提出了一个系统的方法来解决这个问题,它提供了一种方法来确定有效的和强大的操作制度,并阐明在设计过程中所涉及的权衡,使工程工作集中在最敏感和关键的参数。我们表明,在许多相关的情况下,它是可能的近似分离的几何方面的协同性与原子系统和镜面本身,大大简化了优化过程。虽然我们的优化方法可以应用于大多数操作制度,在这里,我们认为腔适合典型的离子捕获实验,并与大量的横向错位的镜子。我们发现,许多微米的镜面错位腔仍然可以提供非常高的光子提取效率,提供了一个有吸引力的路线,可扩展的生产离子腔接口的大规模量子网络。
2022-10-05 physics.app-ph physics.atom-ph quant-ph
Iterative quantum optimisation with a warm-started quantum state
University of Cambridge(剑桥大学)
本文提出基于测量结果迭代制备热启动量子态的 QAOA 增强方法,缓解单串热启动的卡住问题,并在 3-正则 MaxCut 与 DGMVP 中提升近似比和寻优扩展性。
2025-02-13 cond-mat.dis-nn cs.LG math.OC